人因工程與系統工程的集成第二部分:定義總結與概念辨析

馮傳宴, 李志忠

(1.清華大學工業工程系, 北京 100084; 2.北京航空航天大學航空科學與工程學院, 北京 100191)

1 引言

在前文(《人因工程與系統工程的集成 第一部分:工業實踐經驗回顧》)[1]的基礎上,本文作為《人因工程與系統工程的集成》系列研究文章的第二部分,主要針對第二方面的研究缺乏開展了人的因素(Human Factors, HF)(簡稱人因)與系統工程(Systems Engineering, SE)集成相關術語的定義總結與概念辨析。

2 相關術語的定義總結與概念辨析

2.1 HF 與SE 集成相關術語定義采用情況

結合前文的文獻總結,以下相關術語在工業實踐中被采用:人與系統集成(Human-System Integration, HSI)/人因集成(Human Factors Integration, HFI)[2]、人的因素(HF)、人因工程(Human Factors Engineering, HFE)、工效(Ergonomics)、人的工程(Human Engineering)、人的要素(Human Element)、以人為中心的設計(Human-Centered Design, HCD),其中HFI 是歐洲版HSI,通常被英國國防部(Ministry of Defense, MoD)使用。此處列出了這些術語的中文表述及其英文表述或英文簡稱,為不產生歧義且考慮到其定義均源自外文文獻,梳理時均采用其英文表述或英文簡稱。為控制文章篇幅,本研究不再按7 大領域4 個區域的組織/機構對上述術語定義的采用情況進行梳理和匯總。需要注意的是,區別于前文的表格,本研究的表格內容進行了簡化,不再列出細分領域和文獻類型等信息。

從匯總結果來看,同一術語的定義在不同領域的組織/機構之間存在一定差異(表現為各有一定的側重點),同一組織/機構也出現了相似術語的混用等問題,這與其所處領域特定時期的科技發展現狀及工業歷史經驗傳承有關。每個組織/機構都會捍衛自己的定義,對相關術語的定義還沒有出現最終的統一定義[2],但已經呈現漸趨一致的趨勢。

2.1.1 HSI/HFI

2003 年,美國國會要求美國國防部(Department of Defense, DoD)將HSI 納入其采購過程,這一國會授權引發了關于HSI 定義的廣泛辯論[3]。值得注意的是,由于SE 和項目管理的方法不同,HSI/HFI 的定義在不同的政府機構、行業和學術界有所不同,而不僅僅是在某一機構內部(如NASA)[4-5]。除能源領域未見其定義外,其他領域均給出了相似的術語定義。目前以NASA 和DoD 給出的定義較為詳細[5-7]。另外,INCOSE 也給出了較為簡潔的定義[8]。中國目前主要是國防軍事領域的國家軍用標準(GJB)在使用“人機系統整合”這一術語(GJB 的相應內容主要譯自DoD 或MoD 的軍用標準)[9]。此外,中國載人航天領域的《NASA 人系統整合標準與指南譯叢》將HSI 譯為“人-系統整合”,并對NASA 的HSI 流程進行了相應介紹[10]。

2.1.2 HF、HFE、Ergonomics、Human Engineering和Human Element

從學科發展歷程來看,HF 和Ergonomics 是相對獨立卻又相互關聯的學科,有著一段時期的并存歷史[2,11]。Ergonomics 的重點是設計安全、舒適、方便的人的績效以及與系統物理特性的交互[2]。HF 是在系統的設計和操作中獲取和應用人的能力和局限性知識以提高性能、安全性和用戶滿意度的學科或過程[2]。

目前一般認為這兩者趨向一致,可認為Human Factors 與Ergonomics 等價并簡稱為HF/E,現在廣泛認可國際工效學聯合會(International Ergonomics Association, IEA)對其的定義[12-13]。HFE 與Human Engineering 通常等價,梳理的結果指向了2 種主要的觀點:①采用IEA 對HF/E 的定義;②兩者是HSI 研究領域之一[6,8,14-16]。Human Element 的定義強調對利益攸關者-人的要素問題的研究[17]。

根據文獻總結,按領域匯總后的術語定義見表1。上述術語在不同領域的定義存在一定差異,一些領域的組織/機構(主要是美國的機構,如民用航空領域的美國聯邦航空局(Federal Aviation Administration, FAA)、能源(核電)領域的美國核管理委員會(NRC)、國防領域的國際自動機工程師學會(SAE)、美國國防部(DoD))均給出了其自己的定義。比較典型的是HFE,其定義(或使用)因應用領域不同而關注不同的重點。在航空領域,其與HF 等價[14],關注新型儀表、設備引發的HF 問題[33];在船舶海事領域,其與Ergonomics 等價,關注物理設備布置相關的工效問題[20];在國防軍事領域,其與Human Engineering等價,關注與人的能力和局限性相關的人的工程,以利于實現人與系統的集成[31]。另外,Human Engineering 主要被國防領域(例如SAE 和DoD)和船舶海事領域(例如美國材料實驗協會(ASTM))所采用,目前該術語已經逐漸的被HF從業者所拋棄[34]。Human Element 主要在船舶海事領域(例如IACS)使用。目前國內通用領域的相關GB 將HF/E 譯成人因學/人類工效學[35];民用航空領域的CCAR-25-R4(譯自FAR 25)將HF 譯成人為因素[36];核電行業標準(譯自IEEE)將HFE 譯為人因工程;國防軍事領域的GJB 將Human Engineering 譯成人機工程[37]。船舶海事領域的CCS 相關指南(譯自IACS)將Human Element、Ergonomics 分別譯成人為因素、人體工程學[38]。

表1 HF 與SE 集成相關術語定義的分領域文獻總結Table 1 Summary of definitions of terms related to HF/SE integration in different domains

2.1.3 HCD

目前廣泛采用ISO 對HCD 的定義[39],該定義也被國防軍事(例如MoD)、軌道交通(例如澳大利亞鐵路工業安全和標準委員會)等領域的機構所采納。載人航天(例如NASA)也提出了其HCD 定義。GB 將其譯為以人為中心的設計[40]。

通過上述的總結可以發現,目前HF 相關術語存在定義的不一致和概念的使用不規范問題。不同領域的組織/機構對HF 相關術語的定義不一致,同一組織/機構也出現了相似術語的混用。考慮到HF 學科是一個舶來品,國內學術/工業界在翻譯和應用相關術語和概念時出現了一定程度的譯文不準確、概念使用不規范、更新較緩慢等問題。例如:①MIL-STD-46855A 已將GJB 的人機工程(Human Engineering)[37]與Human Factors Engineering 等價[31],相關標準有待補充相應的闡述和說明。②CCAR-25-R4 將FAA 采用的Human Factors 譯成人為因素[36],而GB 將ISO 標準采用的Ergonomics 譯成人類工效學[35]。研究人員對此可能存在不一致的理解。上述問題可能會帶來初學者對于相關概念的困惑與混淆,因此標準化HF 相關術語的定義(ISO 已經承擔了部分工作)并規范相關概念的使用,具有一定的現實意義。針對這一情況,下文進一步進行了相關術語的概念辨析。

2.2 HF 與SE 集成相關術語的概念辨析

對HF 與SE 集成相關學科的理解不深將導致對其流程和原則的有效實施構成障礙(Roadblock)[41-43]。目前,研究人員針對HF 與SE 集成相關術語之間的差異并未達成共識[44-45]。為便于開展后續工作,本研究進行以下幾組術語的概念辨析:① HF/E 與HFE;② HF/E 與HSI/HFI;③ HFE 與HSI/HFI;④ HCD 與HFE、HSI/HFI。

2.2.1 HF/E 與HFE

Ergonomics 最早由波蘭科學家Jastrzebowski提出并進行定義,該詞由希臘詞Ergon 和nomos衍生而來,前者表示工作和努力,后者表示法律或用 法, 旨 在 研 究 “工 作”(“The study of work”)[46-47]。1949 年,Ergonomics 被Murrell 引入工效學領域,并進一步在1950 年1 月英國劍橋舉行的一次學術會議上被與會的學者正式確立為研究領域的新學會的名字[46-47]。1956 年,美國成立了正式的學會,但是卻采用Human Factors(HF)來替代Ergonomics[46]。目前看來這兩者重疊的范圍非常大,因此出于實際目的,通常認為這2 個術語是同義的,并互換使用[25,46-48]。為適應這種情況,之前2 個主要的專業學會,以美國為中心的HF 學會和以英國為中心的Ergonomics 學會,都更改了它們的名字,所以有了美國人因與工效學會(Human Factors and Ergonomics Society,HFES)和英國工效與人因協會(Chartered Institute for Ergonomics and Human Factors, CIEHF)[48]。

另外,Engineering 一詞通常被添加或替換以表示應用,如Human (Factors) Engineering[46],有研究機構指出“HFE 專注于應用HF 知識來設計和構建社會技術系統”,該定義區分了非常廣泛的HF學科和HFE,即HFE 為HF 的子集[25,48]。

前述的文獻總結指出HFE 包括2 種主要的定義。當HFE 采用IEA 的定義,則其與HF/E 等價,該定義可以理解為通用、基礎的學科定義。當HFE 采用DoD 和FAA 給出的定義[6,14]時,則HF/E 與HFE 的區別在于前者重點在指學科知識本身,而后者則重點在HF 學科知識的工程應用。HFE 描述了人的能力和局限性,并將這些知識應用到工程硬件和軟件系統的設計中,因此有的時候它也被稱為可用性工程、認知工效或以用戶為中心的設計[2]。本質上HF/E 與HFE 是一致的,其目標在于將人的特性知識應用于設計安全、更高效的系統[2]。

2.2.2 HF/E 與HSI/HFI

對HSI/HFI 進行描述時,有時會采用HF 領域來表征與人有關的問題或以人為中心的領域或學科/關切(Human Centered Domains/Human Centered Disciplines and Concerns)[8]。這些技術領域/學科包括HFE、安全、訓練、環境、醫學等[49],HSI/HFI 涉及到對這些HF 領域的權衡[8]。采用HSI/HFI 過程分析和處理與人有關的問題時應當系統的應用HF 的方法和技術,并借鑒人的科學知識(Human Science Knowledge)[44,50]。

2.2.3 HFE 與HSI/HFI

很多時候,人們對HFE 和HSI 所包含的內容存在誤解。有研究人員指出HSI 是HFE 的一個新名字,這是不正確的[51]。首先,工程界主要認為系統是硬件和軟件的集成或組合以共同實現某種功能,而HSI 則認為系統是硬件、軟件、人、數據、程序和流程等的集成,并考慮系統所處的環境[5]。其次,HFE 專注于具體問題的設計技術方面,而HSI 專注于技術開發過程并協作集成了多個領域的廣泛問題[51],即HSI 擴大了HFE 的研究范圍。這導致HFE 僅是HSI 研究領域之一,但由于其與裝備設計最相關[44],因此也是最核心的研究領域[2,28]。然后,HSI 關注利益攸關者,HSI中的人指的是所有與特定系統有關的人員,包括所有以任何身份與系統交互的人員[8],如所有者、使用者、客戶、設計者、操作者、維護者、裝配者、物流供應商、培訓人員、測試人員以及其他人員[5]。盡管HFE 也在概念階段指出了對利益攸關者的考慮但并不系統,其更多的關注點在于終端用戶(End-User)[52]。此外,HSI/HFI 與HFE 實踐的另一個區別在于前者是關于過程的[15],不涉及具體的工具和方法,而后者更多的是結合當前適用的標準、技術、工具和方法。從具體型號的工程應用來看,后者可以獲得迅速的回報。但從系統的角度來看,現有標準/技術可能無法適用后續的發展需要。最后,HSI 作為SE 的過程之一,其重點是(安全、效率等屬性的)權衡和(技術元素和人的要素的)平衡,通過建立供選擇的權衡庫,以使所有元素和諧地工作, 保證任務成功[8,28,31,53]。即,HSI 是關于平衡、權衡和妥協,是關于通用而非特殊[51]。而HFE 一定程度上存在安全、效率的先后順序[11](即把保障安全放在首位)。

另外,當下HFE 的概念也處于豐富拓展之中,陳善廣等[11,54]從5 個方面對HFE 的概念進行闡述,見表2。也有文獻曾詳細總結過HFE 和HSI 之間的差異[2],但這種差異正在逐漸縮小。表現在以下方面:①強調在全生命周期中進行HF考量[12,55],而不局限于設計開發過程;②基于人因準則(Criteria-Based Evaluation)的評估[13],而非僅基于科學;③采用HCD 過程并處理更為廣泛的問題[39],而非僅針對特定問題;④廣義的HF也涉及了HSI 中除HFE 之外的研究領域,如健康、訓練等, 并且開始采用HCD 的過程模型[39,56],以更好融入SE 過程(ISO 9241-220 ∶2019 是由ISO 9241-210 ∶2010 的修改細化而來),而非僅是技術學科。對照本研究的核心目的-實現HF 和SE 的有效集成來看,目前的關鍵/難點即在于以技術為中心的工程方法和HCD理念的結合。有研究人員就指出,HCD 與SE 過程的結合即是HSI 的一種表達[57-58]。

表2 HFE 概念描述Table 2 Description of the HFE concept

2.2.4 HCD 與HFE、HSI/HFI

HCD 采用以人為中心的視角,是一種設計理念,涉及用來確保設計適應人的能力和局限性的諸多方法[49]。HCD 的理念在HFE 和HSI/HFI 領域都獲得認可并推動了HFE 和HSI/HFI 的發展。HSI 是SE 過程的子集[44],在SE 過程中建立以人為中心的原則和關注點,以改進整個系統的設計和效能[8]。一定程度上,HSI/HFI 可以理解為是DoD/MoD 使 用HCD 的 特 殊 版 本[44]。另 外,Boy[57]指出HSI = HCD + SE,例如NASA 就采用HCD 方法和過程來滿足HSI 和適人性要求[49]。NASA 指出HSI 作為SE 過程的固有部分,應用并集成了包括HFE 在內的多個領域,并采用HCD方法進行系統設計[15]。HSI 過程應當具有很強的適應性,能夠適用于軍事、工業組織結構以及商業過程,而ISO 9241-220 中的HCD 過程即具有這種特征[44]。因此,HSI 通常采用HCD 過程[8],從而成為SE 過程的一部分[2]。

綜上,針對上述幾組相關術語,相應的辨析結果可以比較簡單的總結為:①HFE ≤ HF/E;②HF/E 與HSI/HFI 相關聯;③HFE ≤ HSI/HFI;④HCD ≤HFE;⑤HCD ≤ HSI/HFI。

3 結論

通過前述HF 與SE 集成相關術語的定義總結與概念辨析,結論如下:

1)不同領域、不同區域組織/機構的話語體系不一致,存在術語定義不統一、相似術語混用等問題,這些問題的存在給HF 與SE 集成方法的研究帶來了一定的困難。

2)HF 與SE 集成的相關術語之間存在一定的差異,可以簡單的總結為“HFE ≤ HF/E”、“HF/E 與 HSI/HFI 相 關 聯”以 及“HCD ≤HFE ≤ HSI/HFI”,學術/工業界對這種差異的認識還略顯不足。

復雜工業系統中HF 的發展趨勢是HF 與SE的集成,即從HFE 轉向HSI。但必須引起重視的是,HF 從業者對HSI 概念的認識還十分有限,有待進一步加強。后續部分將對這一發展趨勢及HSI 解決方案探索進行詳細介紹。